(57)【要約】  【課題】  高速でアルファパラメータが小さく、かつ消光比が大きく、また駆動電圧とＤＣバイアス電圧が小さい光変調器を提供する。  【解決手段】  電気光学効果を有する基板１と、基板１に形成された光を導波するための光導波路１２と、基板１の一方の面側に形成され、光を変調するための高周波電気信号を印加するための高周波電気信号用の中心導体４ａ及び接地導体４ｂ、４ｃからなる進行波電極４を有し、光導波路１２には進行波電極４に高周波電気信号を印加することにより光の位相を変調するための複数の相互作用光導波路１２ａ、１２ｂを有するマッハツェンダ光導波路を具備する光変調器において、それぞれの複数の相互作用光導波路１２ａ、１２ｂが、光導波路１２の長手方向に対し垂直となる断面において複数の相互作用光導波路１２ａ、１２ｂの屈折率が互いに異なる高屈折率領域１３ａ、１３ｂを、長手方向の一部に少なくとも１つ以上具備する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気光学効果を有する基板と、該基板に形成された光を導波するための光導波路と、前記基板の一方の面側に形成され、前記光を変調するための高周波電気信号を印加するための高周波電気信号用の中心導体及び接地導体からなる進行波電極を有し、前記光導波路には前記進行波電極に前記高周波電気信号を印加することにより前記光の位相を変調するための複数の相互作用光導波路を有するマッハツェンダ光導波路を具備する光変調器において、
それぞれの前記複数の相互作用光導波路が、前記光導波路の長手方向に対し垂直となる断面において前記複数の相互作用光導波路の屈折率が互いに異なる領域を、長手方向の一部に少なくとも１つ以上具備することを特徴とする光変調器。
【請求項２】
前記長手方向における前記屈折率の大小関係が、相対向する前記相互作用光導波路間において入れ替わるように、前記領域がそれぞれの前記相互作用光導波路に具備されていることを特徴とする請求項１に記載の光変調器。
【請求項３】
前記高周波電気信号により変調された前記光のチャーピングがほぼゼロとなるように、前記相対向する２本の相互作用光導波路における屈折率の大小関係が前記相互作用光導波路の長手方向において入れ替わる前記領域の長さを設定したことを特徴とする請求項２に記載の光変調器。
【請求項４】
前記相対向する２本の相互作用光導波路における屈折率の大小関係が前記相互作用光導波路の長手方向においてＬ１とＬ２の長さをもって入れ替わり、該Ｌ１と該Ｌ２がＬ１＜Ｌ２の関係を満たすことを特徴とする請求項２乃至３に記載の光変調器。
【請求項５】
前記相対向する２本の相互作用光導波路における屈折率の大小関係が前記相互作用光導波路の長手方向においてＬ１、Ｌ２、Ｌ３の長さをもって入れ替わり、該Ｌ１、該Ｌ２、該Ｌ３がＬ１＝Ｌ３＝Ｌ２／２の関係をほぼ満たすことを特徴とする請求項２乃至３に記載の光変調器。
【請求項６】
前記高周波電気信号に基づいた所定の変調周波数の帯域内で、前記相互作用光導波路から出射される光信号パルスのチャーピングの大きさを表すアルファパラメータの符号が変調周波数変化に伴ってプラスからマイナスへ又はマイナスからプラスへ変化するように、前記相対向する２本の相互作用光導波路における屈折率の大小関係が前記光導波路の長手方向において入れ替わる前記領域の長さを設定したことを特徴とする請求項２乃至４に記載の光変調器。
【請求項７】
前記高周波電気信号に基づいた所定の周波数帯域における前記アルファパラメータの周波数についての積分値がほぼゼロとなるように、前記相対向する２本の相互作用光導波路における屈折率の大小関係が前記相互作用光導波路の長手方向において入れ替わる前記領域の長さを設定したことを特徴とする請求項２乃至４に記載の光変調器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は高速でアルファパラメータが小さく、かつ消光比が大きく、また駆動電圧とＤＣバイアス電圧が小さい光変調器の分野に属する。
【背景技術】
【０００２】
リチウムナイオベート（ＬｉＮｂＯ３）のように電界を印加することにより屈折率が変化する、いわゆる電気光学効果を有する基板（以下、リチウムナイオベート基板をＬＮ基板と略す）に光導波路と進行波電極を形成した進行波電極型リチウムナイオベート光変調器（以下、ＬＮ光変調器と略す）は、その優れたチャーピング特性から２．５Ｇｂｉｔ/ｓ、１０Ｇｂｉｔ/ｓの大容量光伝送システムに適用されている。最近はさらに４０Ｇｂｉｔ/ｓの超大容量光伝送システムにも適用が検討されており、キーデバイスとして期待されている。
【０００３】
［第１の従来技術］
このＬＮ光変調器にはｚ−カット基板を使用するタイプとｘ−カット基板（あるいはｙ−カット基板）を使用するタイプがある。ここでは、第１の従来技術としてｘ−カットＬＮ基板とコプレーナウェーブガイド（ＣＰＷ）進行波電極を使用したｘ−カット基板ＬＮ光変調器をとり上げ、その斜視図を図８に示す。図９は図８のＡ−Ａ’における断面図である。なお、以下の議論はｚ−カット基板でも同様に成り立つ。
【０００４】
図中、１はｘ−カットＬＮ基板、２は１．３μｍ、あるいは１．５５μｍなど光通信において使用する波長領域では透明な２００ｎｍから１μｍ程度の厚みのＳｉＯ２バッファ層、３はｘ−カットＬＮ基板１にＴｉを蒸着後、１０５０℃で約１０時間熱拡散して形成した光導波路であり、マッハツェンダ干渉系（あるいは、マッハツェンダ光導波路）を構成している。なお、３ａ、３ｂは電気信号と光が相互作用する部位（相互作用部と言う）における光導波路（あるいは、相互作用光導波路）、つまりマッハツェンダ光導波路の２本のアームである。ＣＰＷ進行波電極４は中心導体４ａ、接地導体４ｂ、４ｃからなっている。
【０００５】
図９において、ＷａとＷｂは相互作用光導波路３ａと３ｂの幅で、この第１の従来技術では２本の相互作用光導波路３ａと３ｂの幅は等しいものとする（つまり、Ｗａ＝Ｗｂで、例えばＷａ、Ｗｂとも９μｍ）。Ｇｗｇは相互作用光導波路３ａと３ｂの間の距離（導波路ギャップとも言う）であり、例えば１６μｍである。また、Ｓｗｇは相互作用光導波路３ａと３ｂの中心間の距離である（この例の場合には２５μｍとなる）。Δは中心導体４ａのエッジと相互作用光導波路３ａ、もしくは３ｂの中心との距離である（この図では中心導体４ａのエッジと相互作用光導波路３ｂの中心との距離としている）。
【０００６】
図１０には光導波路３についてのみの上面図を示している。ここで、相互作用光導波路３ａ、３ｂの長さをＬとする。なお、この図１０は光導波路のみではあるが、図８の斜視図におけるＡ−Ａ’に対応する位置にＡ−Ａ’と記している。
【０００７】
この第１の従来技術では、中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃ間にバイアス電圧（通常はＤＣバイアス電圧）と高周波電気信号（ＲＦ電気信号とも言う）を重畳して印加するので、相互作用光導波路においてはＲＦ電気信号のみならず、ＤＣバイアス電圧も光の位相を変える。また、バッファ層２は電気信号のマイクロ波実効屈折率ｎｍを相互作用光導波路３ａ、３ｂを伝搬する光の実効屈折率ｎｏに近づけることにより、光変調帯域を拡大するという重要な働きをしている。
【０００８】
次に、このように構成されるＬＮ光変調器の動作について説明する。このＬＮ光変調器を動作させるには、中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃ間にＤＣバイアス電圧とＲＦ電気信号とを印加する必要がある。
【０００９】
図１１に示す電圧−光出力特性はある状態でのＬＮ光変調器の電圧−光出力特性であり、Ｖｂはその際のＤＣバイアス電圧である。この図１１に示すように、通常、ＤＣバイアス電圧Ｖｂは光出力特性の山と底の中点に設定される。
【００１０】
図１２には、半波長電圧Ｖπと相互作用光導波路の長さＬとの積（Ｖπ・Ｌと呼ばれ、駆動電圧を考える上で尺度となる）と中心導体４ａのエッジと相互作用光導波路３ｂの中心との距離Δとの関係を示す。この計算では、光導波路３ａ、３ｂ間のギャップＧｗｇを変化させることによりΔの値を決定している。図１２から、中心導体４ａのエッジと相互作用光導波路３ｂの中心との距離Δはある程度小さいほうが良く、さらには最適値が存在することがわかる。
【００１１】
そこで、駆動電圧を低くするために、中心導体４ａのエッジと相互作用光導波路３ｂ（及び３ａ）の中心との距離Δを小さくしようとすると、相互作用光導波路３ａ、３ｂ間のギャップＧｗｇが小さくなる。ところが、図１３に示すように、相互作用光導波路３ａ、３ｂ間のギャップＧｗｇが小さくなると、相互作用光導波路３ａ、３ｂ間の結合度が著しく大きくなり、光をＯＮ／ＯＦＦした際のパワーの比、即ち消光比の劣化を生じるという問題があった。
【００１２】
［第２の従来技術］
一般に、２本の光導波路の間における結合度を小さくするためには、２本の光導波路間の距離Ｇｗｇを大きくすることにより各光導波路を伝搬する光を互いに遠ざけるか、２本の光導波路の幅を互いに異ならしめて、２本の光導波路を伝搬する光の等価屈折率（あるいは伝搬定数）を変えることにより、互いの結合を抑圧するという方法がある。
【００１３】
ところが、２本の光導波路間の距離Ｇｗｇを大きくすると図１２において説明したようにＶπ・Ｌが大きくなり、結果的に高い駆動電圧が必要となる。そのため、図１４に断面図として示す第２の従来技術では、２本の相互作用光導波路５ａ、５ｂの幅Ｗａ’、Ｗｂ’を異ならしめている。図１５にはこの第２の従来技術の光導波路５のみの上面図を示している。図１４では図１５のＢ−Ｂ’における断面図にｘ−カットＬＮ基板１、中心導体４ａ、接地導体４ｂ、４ｃ及びバッファ層２を含めている。
【００１４】
ところがこの第２の従来技術にはいくつかの問題点がある。まず、相互作用光導波路５ａと５ｂの中心間の距離Ｓｗｇ’を一定にしたまま、相互作用光導波路５ａと５ｂの幅を異ならしめることを考える。例えば、相互作用光導波路５ａの幅Ｗａ’を狭く、相互作用光導波路５ｂの幅Ｗｂ’を広くする。この場合、相互作用光導波路５ａの幅Ｗａ’が狭くなるので、相互作用光導波路５ａを伝搬する光は相互作用光導波路５ａから漏れ出し、結果的にそのスポットサイズは広がる。また、相互作用光導波路５ｂの幅Ｗｂ’を広くするので、相互作用光導波路５ａを伝搬する光のスポットサイズも広がる。相互作用光導波路５ａ、５ｂを伝搬する光のスポットサイズが広くなるということは等価的には相互作用光導波路５ａと５ｂの間の距離Ｇｗｇ’が狭くなったことに対応するので、２本の相互作用光導波路５ａと５ｂの等価屈折率を変えて結合を抑圧する効果の一部を相殺してしまい、充分な効果を上げることができない。
【００１５】
一方、図１４において中心導体４ａのエッジと相互作用光導波路５ｂのエッジとの距離を一定にしたまま、相互作用光導波路５ｂの幅Ｗｂ’を広げると、中心導体４ａのエッジと相互作用光導波路５ｂの中心の距離Δが大きくなることになり、図１２に示したように駆動電圧を評価する尺度であるＶπ・Ｌが大きくなってしまう。
【００１６】
また、図１５に示すように、この第２の従来技術では、相互作用光導波路３ａ、３ｂの幅Ｗａ’、Ｗｂ’を部分的に変えており、図１５の中の６、７、８、９、１０、１１は幅が変化するそのテーパ領域である。よく知られているように、このように光導波路の幅を変えると、その領域において放射損失が生じる。そのため、相互作用光導波路３ａ、３ｂを伝搬する光のパワーが互いに異なってしまい、光変調器としての消光比が劣化してしまう。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
以上のように、駆動電圧を下げるために、第１の従来技術のように、２本の相互作用光導波路を中心導体に近づけると、２本の相互作用光導波路が互いに近づく。そのため、光が結合し、結果的に消光比の劣化を生じてしまう。また、第２の従来技術のように、２本の相互作用光導波路の幅を異ならしめると、等価的には２本の相互作用光導波路間の距離が狭くなったことに対応するので、２本の相互作用光導波路５ａと５ｂの等価屈折率を変えて結合を抑圧する効果の一部を相殺してしまい、充分な効果を上げることができない、駆動電圧が上昇する、あるいは光変調器の消光比が劣化してしまうという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記課題を解決するために、本発明の請求項１の光変調器は、電気光学効果を有する基板と、該基板に形成された光を導波するための光導波路と、前記基板の一方の面側に形成され、前記光を変調するための高周波電気信号を印加するための高周波電気信号用の中心導体及び接地導体からなる進行波電極を有し、前記光導波路には前記進行波電極に前記高周波電気信号を印加することにより前記光の位相を変調するための複数の相互作用光導波路を有するマッハツェンダ光導波路を具備し、それぞれの前記複数の相互作用光導波路が、前記光導波路の長手方向に対し垂直となる断面において前記複数の相互作用光導波路の屈折率が互いに異なる領域を、長手方向の一部に少なくとも１つ以上具備することを特徴とする。
【００１９】
本発明の請求項２の光変調器は、請求項１に記載の光変調器において、前記長手方向における前記屈折率の大小関係が、相対向する前記相互作用光導波路間において入れ替わるように、前記領域がそれぞれの前記相互作用光導波路に具備されていることを特徴とする。
【００２０】
本発明の請求項３の光変調器は、請求項２に記載の光変調器において、前記高周波電気信号により変調された前記光のチャーピングがほぼゼロとなるように、前記相対向する２本の相互作用光導波路における屈折率の大小関係が前記相互作用光導波路の長手方向において入れ替わる前記領域の長さを設定したことを特徴とする。
【００２１】
本発明の請求項４の光変調器は、請求項２乃至３に記載の光変調器において、前記相対向する２本の相互作用光導波路における屈折率の大小関係が前記相互作用光導波路の長手方向においてＬ１とＬ２の長さをもって入れ替わり、該Ｌ１と該Ｌ２がＬ１＜Ｌ２の関係を満たすことを特徴とする。
【００２２】
本発明の請求項５の光変調器は、請求項２乃至３に記載の光変調器において、前記相対向する２本の相互作用光導波路における屈折率の大小関係が前記相互作用光導波路の長手方向においてＬ１、Ｌ２、Ｌ３の長さをもって入れ替わり、該Ｌ１、該Ｌ２、該Ｌ３がＬ１＝Ｌ３＝Ｌ２／２の関係をほぼ満たすことを特徴とする。
【００２３】
本発明の請求項６の光変調器は、請求項２乃至４に記載の光変調器において、前記高周波電気信号に基づいた所定の変調周波数の帯域内で、前記相互作用光導波路から出射される光信号パルスのチャーピングの大きさを表すアルファパラメータの符号が変調周波数変化に伴ってプラスからマイナスへ又はマイナスからプラスへ変化するように、前記相対向する２本の相互作用光導波路における屈折率の大小関係が前記光導波路の長手方向において入れ替わる前記領域の長さを設定したことを特徴とする。
【００２４】
本発明の請求項７の光変調器は、請求項２乃至４に記載の光変調器において、前記高周波電気信号に基づいた所定の周波数帯域における前記アルファパラメータの周波数についての積分値がほぼゼロとなるように、前記相対向する２本の相互作用光導波路における屈折率の大小関係が前記相互作用光導波路の長手方向において入れ替わる前記領域の長さを設定したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２５】
請求項１の発明では、マッハツェンダを構成する２本の相互作用光導波路の屈折率を互いに変えることにより、２本の相互作用光導波路の間における光結合を抑圧できるので、消光比を改善できる。
【００２６】
請求項２の発明では、請求項１に記載の光変調器において、相対向する２本の相互作用光導波路における屈折率の大小関係が前記光導波路の長手方向において入れ替わることにより、消光比を改善できるとともにチャーピングを小さくできる。
【００２７】
請求項３の発明では請求項２に記載の光変調器において相対向する２本の相互作用光導波路における屈折率の大小関係が前記光導波路の長手方向において入れ替わる領域の長さを適切に設定することにより、消光比を改善できるとともにチャーピングをほぼゼロとできる。
【００２８】
請求項４の発明では、請求項２から３に記載の光変調器において、屈折率の大小関係が前記光導波路の長手方向において入れ替わる領域の長さをＬ１とＬ２とすると、中心導体と接地導体から構成される進行波電極を伝搬する高周波電気信号の伝搬損失を考慮して、Ｌ１＜Ｌ２とすることにより消光比を改善できるとともにチャーピングを小さく、あるいはゼロにできる。
【００２９】
請求項５の発明では、請求項２から３に記載の光変調器において、前記相対向する２本の光導波路の屈折率の大小関係が前記光導波路の長手方向においてＬ１、Ｌ２、Ｌ３の長さをもって入れ替わり、それらの長さＬ１、Ｌ２、Ｌ３がＬ１＝Ｌ３＝Ｌ２／２の関係を満たすことにより、消光比を改善できるとともにチャーピングを小さく、あるいはほぼゼロとできる。
【００３０】
請求項６の発明では、請求項２から４に記載の光変調器において、屈折率の大小関係が前記光導波路の長手方向において入れ替わる領域の長さを適切に設定することにより、光信号パルスのチャーピングの大きさを表すアルファパラメータの符号が変調周波数変化に伴ってプラスからマイナスへ又はマイナスからプラスへ変化するので、極めて小さなチャーピング特性を実現できる。
【００３１】
請求項７の発明では、請求項２から４に記載の光変調器において、屈折率の大小関係が相互作用光導波路の長手方向において入れ替わる前記領域の長さを設定することにより、アルファパラメータの周波数についての積分値がほぼゼロとなるので、極めて小さなチャーピング特性を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下、本発明の実施形態について説明するが、図８から図１５に示した従来技術と同一番号は同一機能部に対応しているため、ここでは同一番号を持つ機能部の説明を省略する。
【００３３】
［第１の実施形態］
図１に本発明における第１の実施形態の断面図を示す。また、図２には光導波路１２についての上面図を示している。ここで、１２ａ、１２ｂは相互作用光導波路、１３ａ、１３ｂは相互作用光導波路１２ａ、１２ｂに設けた高屈折率領域、Ｗａ’’、Ｗｂ’’は高屈折率領域１３ａ、１３ｂを含む相互作用光導波路１２ａ、１２ｂの幅であり、ここでは等しいとする（つまりＷａ’’＝Ｗｂ’’で、例えばＷａ’’、Ｗｂ’’とも９μｍ）。
【００３４】
Ｇｗｇ’’は高屈折率領域１３ａ、１３ｂを含む相互作用光導波路１２ａと１２ｂの間の距離（導波路ギャップ）であり、例えば１６μｍである。また、Ｓｗｇ’’は高屈折率領域１３ａ、１３ｂを含む相互作用光導波路１２ａと１２ｂの中心間の距離である（この例では２５μｍとなる）。Δは中心導体４ａのエッジと高屈折率領域１３ａ、１３ｂを含む相互作用光導波路１２ａ、もしくは１２ｂの中心との距離である（この図では中心導体４ａのエッジと相互作用光導波路１２ｂの中心との距離としている）。
【００３５】
図２において、相互作用光導波路１２ａ、１２ｂの長さＬ１の領域（以下、第１領域と呼ぶ）では相互作用光導波路１２ａにおける高屈折率領域１３ａの屈折率が相互作用光導波路１２ｂの屈折率よりも高く、長さＬ２の領域（以下、第２領域と呼ぶ）では相互作用光導波路１２ｂにおける高屈折率領域１３ｂの屈折率が相互作用光導波路１２ａの屈折率よりも高い。この様子を図１と図２のＣ−Ｃ’に対応する屈折率分布として図３に示す。
【００３６】
なお、この構造を製作するには以下の手順で行う。まず、図２において通常のマッハツェンダ光導波路１２の形状にレジストパターンを形成した後、金属Ｔｉを蒸着する。さらに１３ａ、１３ｂの領域の形状にレジストパターンを形成した後、Ｔｉを追加蒸着する。そして、両者を一度に熱拡散することにより相互作用光導波路１２ａ、１２ｂに高屈折率領域１３ａ、１３ｂを形成できる。
【００３７】
ここで、長さＬ１の第１領域において、高屈折率領域１３ａと相互作用光導波路１２ｂとの屈折率差をΔｎとすると、高屈折率領域１３ａを含む相互作用光導波路１２ａと相互作用光導波路１２ｂを伝搬する光の結合度と屈折率差の絶対値｜Δｎ｜（但し、ここでは｜Δｎ｜＝Δｎ）との関係を図４に示す。図からわかるように屈折率差Δｎが大きくなると、高屈折率領域１３ａ、１３ｂを含む２本の相互作用光導波路１２ａ、１２ｂを伝搬する光の結合度は著しく小さくなる。なお、長さＬ２の第２領域においても、高屈折率領域１３ｂと相互作用光導波路１２ａとの屈折率差をΔｎとすると、高屈折率領域１３ｂを含む相互作用光導波路１２ｂと相互作用光導波路１２ａを伝搬する光の結合度と屈折率差の絶対値｜Δｎ｜との関係も図４と同様に与えられる。
【００３８】
本発明の第１の実施形態では第２の従来技術とは異なり、高屈折率領域１３ａ、１３ｂを含む相互作用光導波路１２ａ、１２ｂの幅Ｗａ’’、Ｗｂ’’が等しくても、屈折率が互いに異なる。そのため、相互作用光導波路１２ａ、１２ｂを伝搬する光の等価屈折率（あるいは伝搬定数）を異ならしめることができ、２本の相互作用光導波路１２ａ、１２ｂを伝搬する光の結合を抑圧することができる。この場合、相互作用光導波路１２ａ、１２ｂの幅を変える必要がないため、中心導体４ａのエッジと相互作用光導波路１２ａ、１２ｂの中心との距離Δが変わらないので、第２の従来技術の説明で述べたような駆動電圧の上昇は起こらない利点がある。
【００３９】
また、前述のように、第２の従来技術として示した図１５のテーパ領域６、７、８、９、１０、１１では相互作用光導波路の幅が変化するので放射損失が生じ、その結果、光変調器としての挿入損失の劣化や消光比の劣化を招いていた。一方、本発明の第１の実施形態にはそのようなテーパ領域は存在しないので、テーパ領域に起因する放射損失は生じない。さらに、本発明では高屈折率領域１３ａ、１３ｂはＴｉを追加蒸着した後の熱拡散により形成する。図１５に示した第２の従来技術におけるテーパ領域６、７、８、９、１０、１１と比較して、熱拡散により形成した屈折率の変化は緩やかなので放射損失は生じにくい。従って、本実施形態は挿入損失や消光比の観点から有利な構造といえる。
【００４０】
さて、ここでチャーピングについて考える。チャーピングの度合いを表すアルファパラメータ（あるいは、αパラメータ）はこの光変調器から出力される光信号パルスが有する位相φと強度（振幅）Ｅとを用いて(1)式のように表現できる（非特許文献１）。
【００４１】
α＝［ｄφ／ｄｔ］／［（１／Ｅ）（ｄＥ／ｄｔ）］                …(1)
このように、αパラメータは、出力される光信号パルスが有する位相変化量と強度変化量を用いて表現できる。
【００４２】
さらに、具体的には、αパラメータは、(1)式を発展させた(2)式で表現できる。
【００４３】
α＝（Γ1―Γ2）／（Γ1＋Γ2）                              …(2)
Γ1；電気信号（振幅）と相互作用光導波路１２ａ（１３ａを含む）を伝搬する光（パワー）との１で規格化した重なり積分で示した効率
Γ2；電気信号（振幅）と相互作用光導波路１２ｂ（１３ｂを含む）を伝搬する光（パワー）との１で規格化した重なり積分で示した効率
長さＬ1の第１領域においては、高屈折率領域１３ａは相対向する相互作用光導波路１２ｂよりも屈折率が高い。一方、長さＬ２の第２領域においては、高屈折率領域１３ｂは相対向する相互作用光導波路１２ａよりも屈折率が高い。一般に、屈折率が高い領域１３ａ、１３ｂを伝搬する光のスポットサイズは小さくなるので、その領域における高周波電気信号の振幅と光のパワーとの重なり積分は相対向する屈折率が低い相互作用光導波路１２ｂ、１２ａを伝搬する光との重なり積分より大きくなる。従って、第１領域においてはΓ１がΓ２よりも大きく、また第２領域においてはΓ２がΓ１よりも大きくなる。
【００４４】
その結果、図２に示した第１の実施形態において第１領域の長さＬ１を有限、第２領域の長さＬ２を０とした場合には、相互作用光導波路１２ａ、１２ｂの間の距離を近づけることが可能となり、駆動電圧を低減できても上記で説明したΓ１とΓ２の値が異なることになり、チャーピングが生じることが予想される。
【００４５】
図２において第１領域の長さＬ１と第２領域の長さＬ２を有限長として、このチャーピングを小さくする、あるいは無くすことを考える。高周波電気信号を中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃから構成される進行波電極４に印加した状態において、中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃとからなる進行波電極４の高周波電気信号の周波数ｆにおけるマイクロ波伝搬損失をβm（ｆ）とし、中心導体４ａにおける、長さＬ１の第１領域と、長さＬ2の第２領域において、高屈折率領域１３ａ、１３ｂを含む相互作用光導波路１２ａ、１２ｂを伝搬する光と電気信号との相互作用の効率をそれぞれＩ１（ｆ）、Ｉ２（ｆ）と表す。
【００４６】
光及び電気信号の伝搬方向をｚとすると、各相互作用の効率Ｉ１（ｆ）、Ｉ２（ｆ）は周波数ｆに依存し、(3)、(4)式で記述できる。
【００４７】
Ｉ１（ｆ）＝∫0Ｌ１  ｅｘｐ（−βｍ（ｆ）・ｚ）ｄｚ
＝（１−ｅｘｐ（−βｍ（ｆ）・Ｌ１））／βｍ（ｆ）          …(3)
Ｉ２（ｆ）＝∫Ｌ１Ｌ２  ｅｘｐ（−βｍ（ｆ）・ｚ）ｄｚ
＝ｅｘｐ（−βｍ（ｆ）・Ｌ１）・（１−ｅｘｐ（−βｍ（ｆ）・Ｌ２））／βｍ（ｆ）
…(4)
そこで、両者の相互作用の効率Ｉ１（ｆ）、Ｉ２（ｆ）が等しくなる(5)式の条件
Ｉ１（ｆ）＝Ｉ２（ｆ）                                            …(5)
を満たす第１領域の長さＬ１と、第２領域の長さＬ２を設定することにより、任意に指定された周波数ｆにおいてチャーピングをゼロとできる。つまり、(5)式が成立する場合にはαパラメータがゼロとなる。
【００４８】
(5)式を満たす第１領域の長さＬ１と第２領域の長さＬ２から、第１領域の長さＬ１における相互作用の効率Ｉ１（ｆ）、第２領域の長さＬ２における相互作用の効率Ｉ２（ｆ）を求め、さらに、前述した(2)式を用いて、高周波電気信号の各周波数ｆにおけるαパラメータの周波数特性が求まる。
【００４９】
図５（ａ）、図５（ｂ）に求めたαパラメータの周波数特性を示す。図５（ａ）には、印加された高周波電気信号の周波数ｆの増加に伴ってαパラメータはその符号がマイナス（−）からプラス（＋）へ変化する周波数特性を示し、図５（ｂ）には、高周波電気信号の周波数ｆの増加に伴ってその符号がプラス（＋）からマイナス（−）へ変化するαパラメータの周波数特性を示す。
【００５０】
このように、印加された高周波電気信号の周波数ｆにおけるＤＣ付近の低周波領域と高周波領域においてチャーピング量を表すαパラメータの符号が入れ替わるように、第１領域の長さＬ１と、それに続く第２領域の長さＬ２を設定している。これを実現するためには、Ｌ１／Ｌ２＝０．８５であった。すなわち、第２領域の長さＬ２を第１領域の長さＬ１より若干長く設定する必要がある。但し、この値は電極の構造により変わるので、第１領域の長さＬ１と第２領域の長さＬ２の比はこの限りではないことは言うまでもない。
【００５１】
なお、注意すべきはαパラメータが常に正、あるいは常に負で、ある周波数でのみゼロとなる場合にも(5)式を満足することができるが、光変調器から出射する光信号パルスにとって重要なことは、必要な所定の周波数帯域内においてαパラメータを平均的にゼロとすることが更に有効である。
【００５２】
（非特許文献１）Nadege Courjal et al “Modeling and Optimization of Low Chirp LiNbO3 Mach-Zehnder Modulators With an Inverted Ferroelectric Domain Section “Journal of Lightwave Technology vol.22 No.5 May 2004
さらに、上記で述べた本発明の光変調器のチャーピング特性を改善することを考える。つまり、上記の光変調器の構成では出射した光信号パルスのチャーピングはかなり小さくなるものの、光通信システムでは伝送される光信号パルスとして必要な所定の周波数帯域内においてαパラメータを平均的にゼロとすることがより強く求められる。
【００５３】
図６（ａ）、図６（ｂ）に示すように、光信号パルスとして必要な所定の周波数帯域における最大周波数をｆｍａｘとし、図６（ａ）に示すように、周波数ｆの増加に伴ってαパラメータの符号がマイナス（−）からプラス（＋）へ変化する場合を考える。αパラメータの周波数特性のうちの、ＤＣ近傍からαパラメータがゼロとなる周波数ｆ0までのαパラメータをα１（ｆ）とし、周波数ｆ０から最大周波数ｆｍａｘまでのαパラメータをα２（ｆ）とすると、
∫０ｆ０α１（ｆ）ｄｆ＝∫ｆ０ｆｍａｘα２（ｆ）ｄｆ                    …(6)
となるように、第１領域の長さＬ１と、第２領域の長さＬ２を設定する。このことは、図６（ａ）において面積Ｓ１と面積Ｓ２とを等しくすることに対応する。
【００５４】
また、図６（ｂ）に示すように、周波数ｆの増加に伴ってαパラメータの符号がプラス（＋）からマイナス（−）へ変化する場合を考える。ＤＣ近傍からαパラメータがゼロとなる周波数ｆ０までのαパラメータをα３（ｆ）とし、周波数ｆ０から最大周波数ｆｍａｘまでのαパラメータをα４（ｆ）とすると、
∫０ｆ０α３（ｆ）ｄｆ＝∫ｆ０ｆｍａｘα４（ｆ）ｄｆ                    …(7)
となるように、第１領域の長さＬ１と、第２領域の長さＬ２を設定する。このことは、図６（ｂ）において面積Ｓ３と面積Ｓ４とを等しくすることに対応する。
【００５５】
これを実現するためには、Ｌ１／Ｌ２＝０．７６が好ましい値であった。但し、この値は電極の構造により変わるので、この限りではないことは言うまでもない。また、光信号パルスに含まれる最大周波数は光伝送方式によって異なるので、例として図示した実施形態の限りではない。
【００５６】
なお、図５（ａ）、図５（ｂ）に示す光変調器においてαパラメータをゼロにする周波数と、図６（ａ）、図６（ｂ）に示す光変調器において(6)、(7)式を満たす周波数ｆ０とは当然異なっている。
【００５７】
さらに、電気信号をフーリエ変換した場合に、その電気信号が特定の周波数領域の成分を多く有する場合にはその周波数領域を表す重みＷ（ｆ）を用いて、以下のように積分しても良い。
【００５８】
∫０ｆ０α１（ｆ）Ｗ（ｆ）ｄｆ＝∫ｆ０ｆｍａｘα２（ｆ）Ｗ（ｆ）ｄｆ
…(8) 
［第２の実施形態］
図７には本発明の第２の実施形態を示す。なお、ここでは光変調器の構成要素のうち光導波路１４のみを示す。本実施形態では相互作用光導波路１４ａには屈折率が高い２つの領域、つまり長さＬ３の第１領域と長さＬ５の第３領域を設け、相互作用光導波路１４ｂには同じく屈折率が高い領域として長さＬ４の第２領域を設けている。
【００５９】
高周波電気信号は不図示の中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃからなる進行波電極４を伝搬するとともに減衰するので、長さＬ３の第１領域ではその強度が最も強く、長さＬ５の第３領域ではその強度が最も弱い。また、長さＬ４の第２領域ではその強度が第１領域と第３領域の中間である。従って、全体として光のチャーピングを充分小さくできることになる。なお、この考え方は相互作用光導波路１４ａ、１４ｂに３箇所よりも多くの高屈折率領域を設けても良いことは言うまでもない。
【００６０】
なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではない。
【００６１】
［各実施形態について］
以上においては、進行波電極としてはＣＰＷ電極を例にとり説明したが、非対称コプレーナストリップ（ＡＣＰＳ）や対称コプレーナストリップ（ＣＰＳ）などの各種進行波電極、あるいは集中定数型の電極でも良いことは言うまでもない。
【００６２】
また、以上の実施形態においては、ｘ−カット、ｙ−カットもしくはｚ−カットの面方位、即ち、基板表面（カット面）に対して垂直な方向に結晶のｘ軸、ｙ軸もしくはｚ軸を持つ基板でも良いし、以上に述べた各実施形態での面方位を主たる面方位とし、これらに他の面方位が副たる面方位として混在しても良いし、ＬＮ基板のみでなく、リチウムタンタレートや半導体などその他の基板でも良いことは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
以上のように、本発明に係る光変調器は、高速でアルファパラメータが小さく、かつ消光比が大きく、また駆動電圧とＤＣバイアス電圧が小さい光変調器として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明の第１の実施形態の光変調器の断面図
【図２】本発明の第１の実施形態の光導波路の上面図
【図３】本発明の第１の実施形態の光導波路の屈折率分布を示す図
【図４】光の結合度と｜Δｎ｜との関係を示す図
【図５】光のαパラメータの周波数特性を示す図
【図６】光のαパラメータの周波数特性を示す図
【図７】本発明の第２の実施形態の光導波路の上面図
【図８】第１の従来技術の斜視図
【図９】第１の従来技術のＡ−Ａ’線における断面図
【図１０】第１の従来技術の光導波路の上面図
【図１１】第１の従来技術の動作を説明する図
【図１２】Ｖπ・ＬとΔとの関係を示す図
【図１３】光の結合度とＧｗｇとの関係を示す図
【図１４】第２の従来技術の断面図
【図１５】第２の従来技術の光導波路の上面図
【符号の説明】
【００６５】
１：ｘ−カットＬＮ基板（基板）
２：ＳｉＯ２バッファ層（バッファ層）
３、５、１２、１４：光導波路
３ａ、３ｂ、５ａ、５ｂ、１２ａ、１２ｂ、１４ａ、１４ｂ：相互作用光導波路
４：進行波電極
４ａ：中心導体
４ｂ、４ｃ：接地導体
６、７，８，９，１０、１１：テーパ領域
１３ａ、１３ｂ、１５ａ、１５ｂ、１５ｃ：高屈折率領域
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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